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Wärmeaustauscher für Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise
Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt.
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Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in Verbindung mit einer Anlage gezeigt, bei welcher eine Luftturbine sowohl einen Generator als auch ein Axialgebläse antreibt.
In der Figur bezeichnet 1 einen Erhitzer, in welchem die einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibende Luft erhitzt wird. Es stellt dieser Erhitzer 1 die Zufuhrstelle äusserer Wärme dar. Die eigentliche Erhitzung der Luft erfolgt in einem Oberflächenwärmeaustauseher 2, welcher von den Feuergasen umspült wird ; die Erhitzung wird vorteilhaft auf mindestens 500 C getrieben.
Die so erhitzte Luft gelangt in eine mehrstufige Luftturbine 3 axialer Bauart, wo sie unter gleichzeitiger Arbeitsabgabe an einen Generator 4 und an einen als mehrstufiges Axialgebläse 5 ausgebildeten Kreiselverdiehter mindestens auf die Hälfte des Druckes expandiert, den sie am Eintritt in die Luftturbine. 3 hat. Der aus der Turbine 3 mit dem Druck Pn strömende Teil der Luft gelangt durch eine Leitung 6 in einen als Gegenstromapparat ausgebildeten Wärmeaustauscher 7., wo dieser Teil des Arbeitsmittelstromes ein Röhrensystem 71 durchströmt und dabei Wärme an denjenigen Teil der Luft abgibt, welcher ein Röhrensystem 72 mit dem Drucke Pli durchströmt.
Letzterer Teil des Arbeitsmittelstromes wird vom Axialgebläse 5 in den Wärmeaustauscher 7 gefördert und gelangt aus diesem durch eine Leitung 8 in den Oberflächenwärmeaustauscher 2. Der das Röhrensystem 72 durchfliessende Teil des Arbeitsmittelstromes besitzt somit einen höheren Druck als der das Röhrensystem 71 durch- fliessende Teil. Der im Wärmeaustauscher 7 auf mindestens 150 C abgekühlte, auf den Druck Pn expandierte Teil des Arbeitsmittelstromes gelangt durch eine Leitung 11 in den Kreiselverdichter 5, wo er unter Kühlung wieder auf einen höheren Druck gebracht wird.
Das Axialgebläse 5 und die Luftturbine 3 sind so bemessen und deren Drehzahlen so gewählt, dass die aus der Luftturbine 3 strömende Luft noch einen Druck von mindestens 2 /cm hat.
Die Durchflussquerschnitte der beiden Röhrensysteme 71, 72, durch welche die beiden Teile des Arbeitsmittelstromes, zwischen denen im Wärmeaustauscher 7 ein Wärmeaustausch zu erfolgen hat, strömen, sind derart bemessen, dass der von der Luftturbine 3 kommende Teil des Arbeitsmittelstromes den Wärmeaustauscher 7 mit einer grösseren Geschwindigkeit durchströmt als der vom Axialgebläse 5 herkommende Teil höheren Druckes, wobei der Druck jedes der beiden Teile im Wärmeaustauscher praktisch gleich bleibt, u. zw.
sind im besonderen die Röhrensysteme 71, 72, um günstige Durchgangszahlen zu erhalten, so bemessen, dass sich die Geschwindigkeiten des abzukühlenden, das Röhrensystem durehfhessenden Teiles niederen Druckes und des aufzuheizenden, das Röhrensystem 72 durchfliessenden Teiles höheren Druckes des Arbeitsmittelstromes angenähert umgekehrt proportional wie die Wurzeln aus den absoluten Drücken dieser Teile des Arbeitsmittelstromes verhalten. Diese Bedingung ist z.
B. erfüllt, wenn die Beziehung
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innegehalten wird, wobei Di den Innendurchmesser der Rohre 72, da den Aussen durchmesser und di den Innendurchmesser der Rohre 71, ferner Pli den in den Rohren 72 und Pn den in den Rohren 71 herrschenden Druck bezeichnet.
Zweckmässig wird ferner dafür gesorgt, dass Ein-und Austritt der Röhrensysteme 71, 72 durch strömungstechnisch gute Formgebung wie Einlaufabrundungen 73 bzw. 74 und diffusorförmige Austritte 75 bzw. 76 ein Geringstmass an Strömung-, d. h. Druckverlusten bedingen. Ferner wird der Wärmeaustauscher 7 zweckmässig auch so bemessen, dass die Temperaturdifferenz zwischen den zwei verschiedene Drücke aufweisenden Teilen des Arbeitsmittelstromes an jeder Stelle des Wärmeaustauschers kleiner als 70 C wird. Bei grösseren Temperaturdifferenzen wird der Verlust infolge unausgenutzter Temperaturgefälle im ganzen Kreislauf rasch derart gross, dass die thermische Ausbeute des Prozesses zu gering und damit das Verfahren unwirtschaftlich wird.
Für den ganzen geschlossenen Arbeitskreislauf sind nämlich nicht nur die Druck-, sondern auch die Temperaturverluste im Wärmeaustauscher wichtig. Diese entstehen dadurch, dass zwischen dem aufzuheizenden und dem abzukühlenden Arbeitsstrom eine gewisse Temperaturdifferenz bestehen muss, die nicht mehr nutzbringend im Kreislauf verwendet werden kann. Man kann die Temperaturdifferenz klein wählen ; dann wird aber die erforderliche Fläche gross und die Druckverluste werden es ebenfalls. Bei grosser Temperaturdifferenz werden anderseits wohl die Druckverluste kleiner, aber die Temperaturverluste (thermodynamische Verluste) steigen.
Bei einer vorgeschriebenen Austauscherfläche gibt es aber nach durchgeführten Untersuchungen eine bestimmte Temperaturdifferenz, die in Verbindung mit der oben festgelegten Wahl für die Geschwindigkeiten der Arbeitsmittelströme ein Mindestmass an Totalverlusten (thermodynamische Verluste + Druckverluste) im Wärmeaustauscher zur Folge hat. Da diese Totalverluste im ganzen Arbeitskreislauf den Hauptteil der Verluste bilden, ist die möglichste Verringerung mit wirtschaftlichen Mitteln besonders wichtig.
Die zu wählende Temperaturdifferenz zwischen aufzuheizendem und abzukühlendem Arbeitsmittelstrom ist in Verbindung mit der Bedingung, dass die Geschwindigkeiten sich umgekehrt proportional wie die Wurzeln aus den entsprechenden Drücken zu verhalten haben ;
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Hier bedeutet :
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AT = Abkühlung bzw. Erwärmung im Austauscher,
Tm = mittlere Temperatur im Austauscher, g Frdbeschleunigung = 9. 81 mjsek2,
R = Gaskonstante (für Luft = 29-3).
Durch die Verlegung des ganzen Kreisprozesses in das Uberdruckgebiet wird erreicht, dass auch bei kleinen Geschwindigkeiten in den Wärmeaustauschern 2, 7 die Wärmeübergangszahlen gut sind, was zu kleinen Austauscherflächen und damit kleinen Strömungsverlusten führt. Das Druckverhältnis des Kreislaufes wird dabei nicht kleiner als zwei gewählt, weil sonst das zur Verfügung stehende Turbinengefälle zu klein würde, so dass für eine gegebene Leistung zu grosse Luftmengen umgewälzt werden müssten. Zudem würden dann die im Wärmeaustauscher 7 zu bewegende Wärmemenge und damit die Abmessungen dieser Vorrichtung so gross, dass die prozentualen Verluste ebenfalls stark zunehmen und die Anlage unwirtschaftlich würde.
Der Wärmeaustauscher kann erforderlichenfalls mehrgehäusig ausgebildet werden. In einem solchen Falle können die einzelnen Wärmeaustauschflächen in den verschiedenen Gehäusen aus Baustoffen bestehen, die den jeweiligen Temperaturen angepasst sind. So können z. B. dort, wo weniger hohe Temperaturen vorhanden sind, billigere Baustoffe, z. B. unlegierte Stahlsorten, verwendet werden als dort, wo höhere Temperaturen vorkommen.
Anstatt den Wärmeaustauscher in der in der Figur gezeigten Weise mit zwei Röhrensystemen 7\ 72 zu versehen, kann auch nur eines vorgesehen werden. In einem solchen Falle durchströmt der eine Teil des Arbeitsmittelstromes, z. B. der hochgespannte Strom mit dem Drucke Ph, das Röhrensystem, während der andere Teil mit dem Drucke Pn In eine Kammer des Wärmeaustauschers geleitet wird, welche vom Röhrensystem durchquert wird. Durch zweckentsprechende Ausbildung des Einführungsstutzens kann erreicht werden, dass der zweitgenannte Teil in erforderlicher Weise in der Kammer verteilt wird, wo er die Röhren im Gegenstrom zu dem sie durchfliessenden Teil aussen bespült.
In einem solchen Falle lässt sich das erforderliche Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den beiden Teilen des Arbeitsmittelstromes erreichen, wenn die Entfernung s zwischen den Mittelpunkten der Querschnitte benachbarter Rohre (welche Mittelpunkte die Ecken gleichschenkeliger Dreiecke oder von Quadraten bilden) nach der Formel festgelegt sind. :
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wobei D den Aussendurchmesser und d den Innendurchmesser der Rohre, ferner Pi den in diesen Rohren herrschenden Druck und Pa den Druck bezeichnet, der in der von diesen Rohren durchquerten Kammer vorhanden ist.
Solange sich das weiter oben festgelegte Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten der zwei Teile des Arbeitsmittelstromes innehalten lässt, spielt es keine Rolle, welcher der zwei Teile das Innere oder Äussere eines Rohrsystems durchströmt.
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